Федеральное агентство по образованию

Томский государственный университет систем управления и

радиоэлектроники (ТУСУР)

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе ……………..........Л.А. Боков «….»…………………..2010 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

По дисциплине «Микропроцессорные средства систем автоматизации и управления»

для специальности 220301 – Автоматизация технологических процессов и производств (в приборостроении) Факультет вычислительных систем Профилирующая кафедра – кафедра ЭСАУ Курсы – четвертый. Семестры – седьмой, восьмой.

Учебный план набора 2006 года и последующих лет Распределение учебного времени:

Лекции

Лабораторные занятия

Практические занятия

Курсовое проектирование – восьмой семестр

Всего аудиторных занятий

Самостоятельная работа

Общая трудоемкость

Экзамен – седьмой семестр.

Курсовой проект – восьмой семестр.

Рабочая программа составлена на основе ГОС ВО для специальности Автоматизация технологических процессов и производств (в приборостроении), утвержденной 28 февраля 2001 года, регистрационный номер 514–Тех/ДС, рассмотрена и утверждена на заседании кафедры ИИТ «….».….………..... 2010 г., протокол №….…….

Разработчик, старший преподаватель кафедры ИИТ Ю.Б. Шаропин Заведующий профилирующей кафедрой ЭСАУ, профессор А.Г. Гарганеев Рабочая программа согласована с факультетом ВС Декан ФВС М.В. Черкашин

1 О Б ЩИ Е П ОЛ О ЖЕ Н И Я

1.1 Цели преподавания дисциплины Целью курса является изучение основ микропроцессорной техники, принципов построения, функциональных возможностей, и архитектурных решений современных микропроцессорных систем (МПС), микроконтроллеров (МК), микропроцессоров (МП), а также освоение методики проектирования МПС автоматизации и управления.

1.2 Задачи изучения дисциплины В данной дисциплине студенты изучают основы микропроцессорной техники, программирование МП и МК, подходы к разработке микропроцессорных систем автоматического управления.

В результате изучения дисциплины студенты должны;

- знать элементную базу МП и МК;

- уметь создавать программное обеспечение (ПО) для МП и МК;

- владеть методами расчета и обоснования выбора МП при разработке устройств управления;

- знать возможности и перспективы развития МП и МК;

- уметь использовать современные инструментальные и отладочные средства разработки программных продуктов для МП и МК.

1.3 Место дисциплины в учебном процессе Дисциплина базируется на предшествующих курсах «Информатика», «Общая электротехника и электроника», «Программирование и основы алгоритмизации», «Теория автоматического управления». Знания, полученные в данной дисциплине, необходимы при изучении последующих дисциплин «Технические средства автоматизации», «Интегрированные системы проектирования и управления», «Проектирование систем управления», «Надежность систем управления».

1.4 Распределение объема учебных занятий в семестрах по часам Распределение учебного времени по видам занятий (всего в шестом и седьмом семестрах):

Лекции

Лабораторные занятия

Практические занятия

Курсовое проектирование – восьмой семестр

Всего аудиторных занятий

Самостоятельная работа

Общая трудоемкость

Экзамен– седьмой семестр, курсовой проект – восьмой семестр.

В том числе, седьмой семестр:

Лекции

Лабораторные занятия

Практические занятия

Всего аудиторных занятий

Самостоятельная работа

Отчетность – экзамен Восьмой семестр:

Курсовое проектирование – седьмой семестр

Лабораторные занятия

Всего аудиторных занятий

Самостоятельная работа

Отчетность – курсовой проект

2 « М И К Р О П Р О Ц Е С СО Р Н Ы Е С Р Е Д СТ ВА С И СТ Е М

Курс «Микропроцессорные средства систем автоматизации и управления» читается в двух семестрах. В процессе изучения курса студенты знакомятся с общими принципами организации микро-ЭВМ, микропроцессорами (МП) и микроконтроллерами (МК) с элементной базой МП. Получают навыки программирования МП и МК, и разработки на их основе систем автоматизации и управления. В курсе излагаются следующие темы:

2.1. Введение. Краткий исторический обзор. Обзор вычислительных сред, принципы их построения. Микропроцессоры (МП), микро-ЭВМ и микропроцессорные системы (МПС). Влияние технологии на архитектуру и методы проектирования ЭВМ и систем на МП. Способы реализации вычислительных алгоритмов. Принцип программного управления. Классификация МПС по назначению. Обзор литературы по курсу (2 ч).

2.2. Основы микропроцессорной техники. Основные понятия и термины микропроцессорной техники. Общая логическая структура МПС (микро-ЭВМ).

Понятие архитектуры МП. Производительность микропроцессора и методы её оценки.

Архитектурные способы повышения производительности МП и МП систем. Способы обмена информацией в МПС. Общая организация МП. Технологии производства БИС и основные характеристики МП. Классификация МП по их основным характеристикам 2.3. Системы счисления и двоичная арифметика. Позиционные системы счисления. Двоичные числа. Шестнадцатеричные числа. Восьмеричные числа.

Двоично-десятичные числа. Дополнительный код числа. Арифметика в дополнительном коде. Представление чисел в форматах с фиксированной и с плавающей точками (2 ч.).

2.4. Схемотехнические основы и элементная база МП, МК и систем на их основе.

Элементная база интегральных схем (ИС) в МП. Технологии производства больших ИС (БИС). Логические элементы, триггеры, мультиплексоры и демультиплексоры, дешифраторы, регистры, АЛУ, память (ОЗУ, ПЗУ, Flash, EEPROM, FRAM), системные, периферийные, коммуникационные контроллеры, микропроцессорные супервизоры; АЦП/ЦАП, преобразователи питания, буферные элементы и элементы гальванической развязки. Организация памяти в МПС. Вспомогательные интерфейсы и шины (I2C, SPI, JTAG) (4 ч.).

2.5. Обзор МП Intel семейства x86. Эволюция архитектуры МП x86 от i8080 до Intel® Core™2 Extreme QX6800. Технологии и режимы работы МП x86 (2 ч.).

2.6. Микроконтроллеры. Особенности функционально-структурной организации и структура МК. Обзор современных 8-, 16-, 32-х разрядных МК основных фирм производителей: Intel, Atmel, Microchip, Taxes Instrument, Analog Device, Motorola, Cygnal, Fujitsu, Philips… Процессорные ядра MCS-51, MCS-196, PIC, AVR, ARM, их сравнительная характеристика. Архитектурные методы повышения производительности. Тенденции развития МК (4ч.).

2.7. Микроконтроллеры семейства MCS-51. МСS-51 – основные технические характеристики, структурная схема МК, система памяти, периферийные устройства, система команд. Программирование МК семейства MCS-51 (8ч.).

2.8. AVR – микроконтроллеры. Особенности архитектуры AVR-MK. Обзор МК серии AVR. Система команд, режимы адресации. Режимы работы интегрированных на кристалле периферийных устройств: таймеров/счетчиков, сторожевого таймера, широтно-импульсного модулятора, аналого-цифрового преобразователя, аналогового компаратора. Организация системы прерываний. Кросс-средства программирования для AVR (6ч).

2.9. Основы построения систем автоматизации и управления. Современные тенденции развития автоматизации производства. АСУ П. Общая схема построения АСУ ТП. Микропроцессорные системы автоматического управления. Контроллеры, ПЛК, ремиконы, промышленные компьютеры. Структуры микропроцессорных САУ.

Промышленные интерфейсы и сети (RS485, CAN, Embedded Internet). Программное обеспечение реального времени (4ч.).

2.10. Основные этапы проектирования МПС. Особенности проектирования МПС в САУ. Последовательность и краткая характеристика основных этапов проектирования МПС. Критерии проектирования. Исходные данные для проектирования. Постановка задачи проектирования (4ч.).

2.11. Программирование МП. Основы программирования. Составление блок-схем алгоритмов. Языки программирования. Язык Embedded C (EC). Основные компиляторы языка С/С++ для разработки программного обеспечения МП и МК встраиваемых систем (4.ч.).

2.12. Средства разработки и отладки микропроцессорных систем. Состав программного обеспечения МПС, его особенности. Системное программное обеспечение - ассемблеры, компиляторы, трансляторы. Прикладное программное обеспечение. Гипертекстовые справочники, макроассемблеры, компиляторы, компоновщики, оценочные и отладочные платы, эмуляторы, программаторы и т. п.

(2ч).

2.13. Современные микропроцессоры. Классификация и обзор МП. Тенденции развития МП техники (МП и МК, БИС памяти, программируемые логические ИС).

Архитектурные особенности современных МП. Способы измерения производительности. Суперскалярные и мультискалярные МП. Развитие архитектур МП (2 ч.).

2.14. Универсальные МП. МП с архитектурой x86. МП AMD. МП с архитектурой Alpha. МП c архитектурой PowerPC. (2ч.).

2.15. Специализированные МП (СМП). Классификация СМП.: встраиваемые, коммуникационные, сигнальные и медийные, сопроцессоры, транспьютеры, нейропроцессоры, процессоры нечеткой логики, процессоры языков высокого уровня.

(2ч).

2.16. Обзор рынка АСУ ТП. Промышленные компьютеры, промышленные контроллеры. Платы расширения ввода-вывода, коммуникационные платы.

Назначение, архитектура, характеристики. Основные производители. Стандарты, особенности исполнения и применения. (2ч).

Целью лабораторного практикума является закрепление теоретических знаний и получение практических навыков программирования и разработки устройств на основе микроконтроллеров семейства MCS-51.

3.3. Подсистема таймеров-счетчиков в МК семейства MCS-51. 4ч.

Лабораторный практикум в восьмом семестре связан с курсовым проектированием, в нем выполняется поэтапная практическая реализация элементов курсового проектирования.

Целью лабораторного практикума является реализация и отладка типовых подпрограмм, которые являются частями программы, разрабатываемой студентом при курсовом проектировании, на реальных макетах.

Работа с периферийными устройствами по I2C.

Целью практических занятий является получение практических навыков проектирования, разработки и программирования программного обеспечения МПС.

4.2. Программирование МПС на алгоритмических языках (С/С++). 4ч.

4.3. Изучение оригинальной технической документации. 4ч.

4.4. Практическая работа со средствами разработки МПС. 4ч.

Типовое задание на курсовую работу предполагает разработку микропроцессорной системы управления. Для ее выполнения студент должен:

выбрать микропроцессор (микроконтроллер);

разработать структурную схему блока управления или автоматической системы на основе выбранного МП (МК);

разработать программное обеспечение для микропроцессорной системы Большая часть заданий на курсовую работу носит индивидуальный характер и связана с использованием соответствующих инструментальных средств поддержки процесса разработки.

7 П Е Р Е Ч Е Н Ь Т Е М Д Л Я СА М О СТО Я Т Е Л Ь Н О Й

6 Изучение тем теоретической части курса, 4 Экзамен (зачет) по проработку.

9 Программирование на языках высокого 10 Защита курсового проекта Всего часов самостоятельной работы по

8 П Р И М Е Н Е Н И Е Р Е Й Т И Н ГО ВО Й С И СТЕ М Ы

8.1 Распределение максимального рейтинга по элементам отчетности Курс четвертый. Семестр седьмой.

Лекции, практические, лабораторные занятия, экзамен.

Контрольные работы на практических занятиях Выполнение и защита индивидуального задания Курс четвертый. Семестр восьмой.

Курсовой проект.

Конкретизация технического задания Разработка функциональной схемы Практическая реализация элементов курсового проекта 8.2 Процедуры контроля и их распределение по неделям семестра В соответствии с учебным расписанием, через одну лекцию проводятся 5 минутные письменные опросы по текущему лекционному материалу. Ответы после истечения минут не принимаются, в рейтинге не учитываются. Проавильный ответ 1 бал не правильный 0 баллов.

Защита лабораторных работ (10-20 мин) содержит цель, ход работы и выводы по работе, а также ответы на вопросы.

В процессе выполнения студентом курсового проекта, оценивается выполнение его этапов (См Табл.8.1).

Лабораторные работы выполняются группами из двух человек. Крайним сроком сдачи и защиты отчета по лабораторной работе является следующие лабораторное занятие. В случае не сдачи отчета, рейтинг по данной лабораторной работе обнуляется.

Таблица.8. Критериями оценки студенческих работ являются:

1. Усвоение материала студентом.

2. Творческое осмысление материала.

Грамотность (отражающая понимание студентом вопроса) и полнота ответа на поставленный вопрос.

1) Самостоятельность работы.

2) Время выполнения работы.

3) Творческий подход в работе.

4) Ответы при защите лабораторной работы.

8.5 Правила перевода рейтинга контрольной точки в оценку Пересчет итоговой суммы баллов в традиционную и международную оценку, представлен в табл.1.

Таблица 8.2.

3 (удовлетворительно) 2 (неудовлетворительно), Баллы, потерянные в контрольных точках не восстанавливаются.

При неудовлетворительной защите курсового проекта, повторная защита проводиться не более 2х раз.

В составе экзаменационного билета присутствуют два теоретических вопроса и один практический.

9 О С Н О В Н АЯ У Ч Е Б Н О - М Е ТО Д И Ч Е С К АЯ Л И Т Е РАТ У РА

1. Сташин В.В., Урусов А.В. Мологонцева О.Ф., Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. – Энергоатомиздат. – 1990. – 224с. Имеются экземпляры в отделах: АНЛ(9), аул(1), анл(1), АУЛ(27), счз1(7), счз5(3).

2. Микропроцессорные системы : Учебное пособие для вузов / Е. К. Александров [и др.] ; ред. Д. В. Пузанков. - СПб. : Политехника, 2002. - 934 с. : ил. - (Учебное пособие для вузов). - Библиогр.: с. 930. Имеются экземпляры в отделах: анл(5), счз5(1), счз1(2).

3. Донов, Г. И. Организация микропроцессорных систем: Учебное пособие для вузов / Г. И. Донов; Министерство образования Российской Федерации, Московский физико-технический институт (государственный университет). - М. :

МФТИ, 2000. - 159 с. Экз-ры: анл(8), счз1(1), счз5(1), аул(40).

4. Зотов, В. Ю. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС фирмы XILINX® / В. Ю. Зотов. - М. : Горячая линия-Телеком, 2006. - 519[1] с. : ил. - (Современная электроника). Экз-ры: анл(3), счз1(1), счз5(1), аул(36)

1 0 Д О П ОЛ Н И Т Е Л Ь Н А Я Л И Т Е РАТ У РА

Микропроцессорные системы: Учебное пособие для вузов (под ред. Пузанкова Д.В.) - СПб: Политехника 2002. – 935 с.

2. Бродин В.Б., Калинин А.В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики — М.: Издательство ЭКОМ, 2002. — 400 с.

3. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. / Пер. с англ. под ред.

Шагурина И.И., Лужанского С.Б., – В 2 тт. – М: Постмаркет 2001 – 904 с.

4. Пухальский Г.И Проектирование микропроцессорных систем: Учебное пособие для вузов СПб: Политехника-2001- 544 с.

5. Корнеев В.В., Киселев А.В. Современные микропроцессоры. – М.: «Нолидж», 6. Тавернье К. PIC-микроконтроллеры: Практика применения. /Пер. с фр., – Справочник – 272 с.

7. Микропроцессорные системы автоматического управления. /В.А. Бесекерский, Н.Б. Ефимов, С.А. Зиатдинов и др.; Под общ. ред. В.А. Бесекерского. -Л.:

Машиностроение, Ленинград. отделение, 1988 – 356с.

8. Однокристальные микрокомпьютеры в системах управления / В.П. Захаров, Ю.М. Польский. – Киев, 1984 – 95с.

9. Микропроцессорные автоматические системы регулирования: Основы теории и элементы: Учебное пособие. /В.В. Солодовников и др. М.: Высшая школа 10. Вершинин О.Е. Применение микропроцессоров для автоматизации технологических процессов. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 11. Однокристальные микроконтроллеры PIC12C5x, PIC12C6x, PIC16x8x, PIC14000, М16С/61/62: Выпуск 2 Изд. 2-е М: Додэка 2001 – 336 с.

12. Современные микроконтроллеры и микропроцессоры Motorola : Справочник / И. И. Шагурин. - М. : Горячая линия-Телеком, 2004. - 952 с. : ил., табл. Современная электроника). Экз-ры: анл(5), счз1(1), счз5(1), аул(25) 13. MCS-51 Programmer's Guide and Instruction Set. November 1992, p.76.